張勇平, 張靜遠(yuǎn), 尹文進(jìn)

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魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真中的作戰(zhàn)環(huán)境建模

張勇平, 張靜遠(yuǎn), 尹文進(jìn)

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為了在魚雷自導(dǎo)性能仿真中體現(xiàn)真實作戰(zhàn)環(huán)境對魚雷自導(dǎo)的影響, 從魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)與外界的信息交互出發(fā), 通過分析魚雷自導(dǎo)探測目標(biāo)機(jī)理和工作過程, 結(jié)合分布式仿真技術(shù), 建立了魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真中的復(fù)雜海洋環(huán)境和對抗作戰(zhàn)仿真模型。仿真結(jié)果表明, 所建模型合理有效, 可以體現(xiàn)魚雷自導(dǎo)工作的真實環(huán)境。

魚雷; 自導(dǎo)性能; 海洋環(huán)境; 作戰(zhàn)環(huán)境; 分布式仿真

0 引言

開展魚雷自導(dǎo)性能仿真研究是檢驗和提升魚雷自導(dǎo)性能的重要途徑之一, 魚雷的作戰(zhàn)環(huán)境決定了仿真研究必須綜合考慮復(fù)雜海洋環(huán)境和對抗作戰(zhàn)條件[1]。因此, 有針對性的開展魚雷作戰(zhàn)環(huán)境的建模研究對魚雷自導(dǎo)性能仿真的發(fā)展有重要意義。現(xiàn)有海洋環(huán)境聲學(xué)模型理論性較強(qiáng), 仿真計算比較困難, 必須結(jié)合魚雷聲自導(dǎo)探測目標(biāo)的機(jī)理對其進(jìn)行改造或者重新建模。對抗作戰(zhàn)條件是魚雷作戰(zhàn)環(huán)境的重要部分, 仿真模型必須結(jié)合魚雷自導(dǎo)搜索、水聲反對抗的機(jī)理展開研究。

目前, 國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的科研人員對魚雷作戰(zhàn)使用、效能分析和自導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)的研究較多[2-5], 但針對魚雷自導(dǎo)性能研究的海洋和對抗作戰(zhàn)環(huán)境的仿真建模研究較少。本文從分析魚雷自導(dǎo)探測目標(biāo)的機(jī)理出發(fā), 對魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)與環(huán)境的信息交互進(jìn)行了深入的分析, 結(jié)合分布式仿真技術(shù), 提出了復(fù)雜海洋環(huán)境和對抗作戰(zhàn)條件的仿真模型。并在魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真系統(tǒng)中對所建仿真模型進(jìn)行了仿真驗證。

1 自導(dǎo)性能仿真影響因素

無線電波、激光等物理場在海水中的衰減很快, 無法滿足水下遠(yuǎn)距離探測的需求。聲傳播在海水中的衰減較慢, 而且傳播速度在1 500 m/s左右, 是目前水下通信和探測目標(biāo)唯一有效的物理場。魚雷被動探測目標(biāo)是采用接收目標(biāo)的輻射噪聲信號進(jìn)行的, 以被動聲納方程為判斷依據(jù), 見式(1)。主動探測目標(biāo)是采用接收自導(dǎo)聲納發(fā)射的脈沖信號經(jīng)過目標(biāo)反射的回波信號來進(jìn)行檢測的, 以主動聲納方程作為判斷依據(jù), 見式(2)。

式(1)中:為目標(biāo)的輻射噪聲;為傳播損失;為水聽器處的噪聲級;為聲納的指向性;為檢測閾。式(2)中:為聲納發(fā)射聲源級;為混響級; 其他與式(1)相同。

復(fù)雜海洋信道使被動探測的目標(biāo)輻射信號、主動探測的聲納發(fā)射信號與目標(biāo)回波信號發(fā)生衰減和畸變, 海洋中氣泡和浮游生物等對主動自導(dǎo)造成體積混響, 海雜波和海底介質(zhì)分別造成海面混響和海底混響。因此魚雷自導(dǎo)接收機(jī)必須要有相應(yīng)的抗信號畸變、抗混響和提取目標(biāo)特征等信號處理方法。在進(jìn)行魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真時, 海洋環(huán)境模型必須體現(xiàn)信號衰減和混響等因素。

魚雷作戰(zhàn)過程中, 氣幕彈對被動自導(dǎo)的目標(biāo)輻射信號、主動自導(dǎo)脈沖信號和目標(biāo)回波信號造成插入損失; 噪聲干擾器提高了背景噪聲, 抑制了自導(dǎo)接收機(jī)對信號的接收; 誘餌采用模擬目標(biāo)的運(yùn)動和聲學(xué)特征來欺騙魚雷跟蹤。水聲對抗器材的不同戰(zhàn)術(shù)用法會對魚雷自導(dǎo)造成不同的影響, 因此, 為了識別和對抗敵方釋放的氣幕彈、噪聲干擾器和誘餌, 魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)必須要有一定的目標(biāo)識別和水聲反對抗能力。在進(jìn)行魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真時, 除了目標(biāo)機(jī)動外, 對抗作戰(zhàn)模型還必須體現(xiàn)水聲對抗器材作戰(zhàn)使用對自導(dǎo)工作過程的影響。

2 自導(dǎo)系統(tǒng)與外界的信息交互

自導(dǎo)系統(tǒng)在海水電池激活后開始工作, 魚雷的射擊參數(shù)在發(fā)射前由發(fā)射平臺的指控系統(tǒng)裝定到魚雷上。在進(jìn)行魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真時, 魚雷成員激活后首先必須接收發(fā)射平臺的射擊參數(shù)信息。被動自導(dǎo)開機(jī)后, 載有目標(biāo)方位、特征等信息的輻射噪聲信息經(jīng)過海洋信道被魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)接收。主動開機(jī)后, 魚雷自導(dǎo)聲納信號經(jīng)過海洋信道照射到目標(biāo)后, 載有目標(biāo)方位、特征等信息的反射信號被自導(dǎo)接收機(jī)接收。

2.1 自導(dǎo)系統(tǒng)與海洋環(huán)境的信息交互

海洋環(huán)境是魚雷探測目標(biāo)的水聲信道, 主要對目標(biāo)輻射噪聲信號、主動聲納信號和目標(biāo)回波信號造成衰減、畸變等影響。復(fù)雜海洋環(huán)境對信號的影響主要體現(xiàn)在傳播損失、多途效應(yīng)、海面混響、海底混響和體積混響等幾個方面。在進(jìn)行魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真時, 自導(dǎo)探測的計算模型必須考慮上述因素, 模型中有關(guān)涉及到海洋環(huán)境的參數(shù)可以由數(shù)據(jù)庫讀取或?qū)а莩蓡T統(tǒng)一發(fā)布, 魚雷成員接收的環(huán)境參數(shù)作為上述聲學(xué)模型計算的依據(jù)。涉及到模型計算的海洋環(huán)境參數(shù)主要有海面風(fēng)速, 海面風(fēng)向, 海水鹽度、深度、溫度、溫度梯度, 海底類型等。

2.2 自導(dǎo)系統(tǒng)與目標(biāo)的信息交互

魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)被動檢測時, 檢測到的目標(biāo)輻射噪聲信息載有目標(biāo)的方位、深度、輻射水平、線譜成分和其他特征信息。提取這些信息可以進(jìn)行方位估計、目標(biāo)識別等操作。

主動檢測時, 魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)射一定時寬和帶寬的脈沖信號。該信號經(jīng)過海洋信道到達(dá)目標(biāo), 經(jīng)過目標(biāo)反射后, 載有目標(biāo)方位、距離、速度和其他特征信息的回波信號經(jīng)由海洋信道被自導(dǎo)系統(tǒng)接收[1]。

綜上所述, 在進(jìn)行魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真時, 魚雷成員必須把發(fā)射脈沖信息、魚雷位置和速度信息公布給其他目標(biāo)及對抗器材成員, 目標(biāo)及對抗器材成員必須把位置和方位信息、速度信息、輻射噪聲水平、目標(biāo)強(qiáng)度和其他一些特征信息公布給魚雷。魚雷成員與外界的信息交互關(guān)系見圖1。

圖1 魚雷與外界信息交互圖

3 仿真模型

3.1 復(fù)雜海洋環(huán)境模型

對魚雷自導(dǎo)性能受海洋環(huán)境的影響進(jìn)行精確建模分析是非常困難的, 基于本文研究的目的, 以對自導(dǎo)性能產(chǎn)生主要影響為考慮原則, 這里對其作簡化處理, 主要考慮聲速、聲吸收、海底混響、海面混響、體積混響等幾個方面[4]。其中, 聲速的計算采用如下計算模型[6]

式中:為聲速;為溫度;為鹽度(以每千克海水中含各種鹽類克數(shù)計);為深度。

該模型中涉及到3個環(huán)境變量, 溫度、鹽度和深度。表示海水對聲波吸收程度的對數(shù)吸聲系數(shù)按如下模型計算[7]

式中:為溫度;為鹽度(以每千克海水中含各種鹽類克數(shù)計);為工作頻率;f為豫弛頻率, 有

為與海水溫度有關(guān)的系數(shù), 有

傳播損失采用下式計算模型[8]

體積混響采用如下計算模型[4]

海面和海底混響由于散射體的分布是2D平面的, 統(tǒng)稱為界面混響。界面混響級采用如下計算模型

根據(jù)上述聲速、聲吸收、海底混響、海面混響和體積混響計算模型的參量分析, 只要給出溫度、鹽度、風(fēng)速、海底類型這幾個環(huán)境變量就可以體現(xiàn)復(fù)雜海洋環(huán)境對魚雷自導(dǎo)的影響。

3.2 對抗作戰(zhàn)模型

模擬實際對抗作戰(zhàn)環(huán)境需要考慮魚雷的作戰(zhàn)使用、目標(biāo)的機(jī)動規(guī)避和敵方水聲對抗3個方面。魚雷的作戰(zhàn)使用需要考慮魚雷射擊提前角的計算、自導(dǎo)開機(jī)距離的設(shè)定、齊射時展開航程的設(shè)定、發(fā)射方式的選擇等。其中, 射擊提前角和展開航程的計算模型[2]見式(12)和式(13)。自導(dǎo)開機(jī)距離和發(fā)射方式一般由人工設(shè)定。

形心法計算發(fā)射提前角模型

展開航程計算模型

以典型的魚雷對潛攻擊為例, 潛艇被動聲納不能測距, 只能聽測其相對于本艇的方位。其機(jī)動規(guī)避戰(zhàn)術(shù)主要有變速、變深、旋回和停車等。為充分體現(xiàn)潛艇旋回角度的隨機(jī)性, 結(jié)合潛艇作戰(zhàn)使用行動規(guī)則, 仿真設(shè)計了3種不同的機(jī)動方式。

機(jī)動方式1: 潛艇背雷轉(zhuǎn)90°, 機(jī)動后航向為以旋回90°后的方向為中心, 均方差為10°的正態(tài)分布。

圖2 潛艇機(jī)動規(guī)避模式一

圖3 潛艇機(jī)動規(guī)避模式二

機(jī)動方式3: 潛艇將魚雷甩到尾部, 機(jī)動后航向為以魚雷-潛艇視線方向為中心, 均方差為10°的正態(tài)分布。

敵方的水聲對抗是和機(jī)動規(guī)避結(jié)合在一起的, 以典型的潛艇反魚雷水聲對抗為例進(jìn)行討論。潛艇使用水聲對抗器材對抗來襲魚雷的作戰(zhàn)使用原則是隱蔽自己、欺騙和干擾魚雷自導(dǎo)探測、增加魚雷航程消耗[9]。其作戰(zhàn)使用方式較多, 考慮到魚雷自導(dǎo)性能仿真的需求, 現(xiàn)建立誘餌、噪聲干擾器和誘餌組合使用以及噪聲干擾器和氣幕彈組合使用3種水聲對抗模型, 以體現(xiàn)敵方水聲對抗對魚雷自導(dǎo)性能的影響。

3.2.1 誘餌對抗模型

圖4 誘餌作戰(zhàn)使用示意圖

3.2.2 誘餌和噪聲干擾器組合使用對抗模型

圖5 誘餌/噪聲干擾器組合使用示意圖

3.2.3 噪聲干擾器和氣幕彈組合使用對抗模型

圖6 氣幕彈/噪聲干擾器組合使用示意圖

4 仿真實例

在基于上述海洋環(huán)境模型和對抗作戰(zhàn)模型的魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真系統(tǒng)中, 以水面艦艇齊射魚雷攻擊單艘潛艇, 潛艇采用發(fā)射噪聲干擾器和誘餌的自動對抗方案進(jìn)行反魚雷對抗為例進(jìn)行了仿真驗證。仿真中魚雷在齊射展開后經(jīng)過一段時間發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 潛艇探測到來襲魚雷后發(fā)射噪聲干擾器和誘餌進(jìn)行反魚雷對抗, 同時, 自身開始機(jī)動規(guī)避, 對抗態(tài)勢見圖7。當(dāng)魚雷被誘餌誘騙后, 1號魚雷穿過誘餌后發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo), 繼而跟蹤并命中目標(biāo), 2號魚雷穿過誘餌后未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)開始環(huán)形搜索, 對抗態(tài)勢見圖8。

圖7 對抗態(tài)勢圖一

圖8 對抗態(tài)勢圖二

5 結(jié)束語

本文從魚雷自導(dǎo)探測目標(biāo)的原理出發(fā), 對自導(dǎo)系統(tǒng)與外界的信息交互進(jìn)行了深入的研究; 結(jié)合自導(dǎo)探測目標(biāo)機(jī)理、海洋環(huán)境模型、魚雷自導(dǎo)性能仿真需求和特點(diǎn)、分布式仿真技術(shù)等, 提出了魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真的復(fù)雜海洋環(huán)境和對抗作戰(zhàn)仿真模型; 并在魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真系統(tǒng)中對所建仿真模型進(jìn)行了仿真驗證, 仿真結(jié)果驗證了模型的有效性和正確性。該仿真模型全面考慮了水聲環(huán)境計算模型、目標(biāo)機(jī)動和水聲對抗等影響魚雷自導(dǎo)性能的綜合因素, 這對研究魚雷自導(dǎo)性能、建設(shè)粒度更細(xì)更復(fù)雜的魚雷作戰(zhàn)效能評估系統(tǒng)具有較大的參考價值。另外, 這對研究智能水雷、反魚雷魚雷等水下武器的作戰(zhàn)性能仿真具有一定的借鑒意義。

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Operational Environment Modeling in Distributed Simulation of Torpedo Homing Performance

ZHANG Yong-ping, ZHANG Jing-yuan, YIN Wen-jin

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To reflect real operational environment in distributed simulation of torpedo homing performance, starting from the information interaction analysis of torpedo homing system and outside environment, the mechanism and guiding process of detecting targets are analyzed. And the models of complex marine environment and countermeasure are established for distributed simulation of torpedo homing performance with the distributed simulation technology. Simulation results show that these models are reasonable and effective for reflecting the real environment where a torpedo homing system works.

torpedo; homing performance; marine environment; operational environment; distributed simulation

TJ630.34; TP391.9

A

1673-1948(2013)05-0392-06

2013-04-27;

2013-06-16.

張勇平(1979-), 男, 工程師, 在讀博士, 主要研究方向為魚雷自導(dǎo)技術(shù)、水聲信號處理、系統(tǒng)仿真.

(責(zé)任編輯: 許 妍)